风向风速测量仪设计

　　风作为一种自然现象,它是影响气候变化的最重要因素之一。本身又蕴藏着巨大的能量,能对人类活动产生重大影响。目前世界各地越来越重视对风参数的观测研究。风向风速测量仪用于测量当地的风向风速,其测量到的瞬时风向风速,经计算处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速、极大风速等数据。

　　风向风速测量仪可以广泛地应用于气象(如为台风数据提供准确的数据参考)、民航(为飞机起飞、降落提供风的可靠数据)、公路、桥梁(为建造公路、桥梁提供依据)、新能源[1-4](风能发电前期提供风数据)等行业,前景广阔。

　　风向风速测量仪主要由风向风速传感器、数据采集器组成。风向风速传感器是将风向风速这两个物理量转换为电信号。数据采集器将风向风速输出的电信号进行处理、计算、存储、输出。

　　1　风向风速传感器设计原理及特点

　　目前国内外风向风速传感器可以分为三类[5-8]。第一类为螺旋桨式风向风速传感器;第二类为风速是三杯式、风向是单翼式的风向风速传

　　感器;第三类为超声波风向风速传感器。螺旋桨式风传感器精度较差,动态性能一般;超声波风传感器目前应用还不太成熟。考虑测量性能、可靠性、价格等因素,本设计采用三杯式风速传感器、单翼式风向传感器。现设计定型的传感器型号为ZQZ-TF风向风速传感器,具体外型参见图1所示。

　　风杯式风速传感器工作原理是:风速传感器的感应元件为三杯式回转架,信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力作用下,风杯组旋转,通过主轴带动磁棒盘旋转,其上的36只磁体形成18个小磁场,风杯组每旋转1圈,在霍尔开关电

　　路中感应出18个脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。其校准方程为:V= 0·1F(V:风速,单位:m/s;F:脉冲频率,单位:Hz。)。

　　风向传感器的感应元件为风向标组件。角度变换为格雷码盘加光电电路。当风向标组件随风向旋转时,带动主轴及码盘一同旋转,每转动2·8125°,位于光电器件支架上下两边的7位光电变换电路就输出1组新的7位并行格雷码,经整形电路整形并反相后输出。

　　传感器具有动态特性好、线性好、精度高、灵敏度高(3°;0·1 m/s)、抗风强度高(≤70 m/s)、测量范围宽(0~60 m/s)、互换性好、工作可靠、抗雷电干扰能力强等多种优良性能。风杯由特种工程塑料注塑成型,风向标尾翼板用质量轻、强度高、刚性好且在高温高压条件下成型的非金属材料制造。具有重量轻,强度好、抗风能力强等特点。

　　2　数据采集器硬件

　　数据采集器硬件电路为风向风速测量仪的核心,设计采用目前成熟,可靠的技术。数据采集器硬件由控制器(CPU)电路单元、风向风速接口电路单元、电源转换单元、数据存储单元、RS-232通信单元组成(参见图2)。